本發(fā)明專利涉及煤巖樣真三軸豎向動(dòng)靜加載試驗(yàn)機(jī)，主要使用于礦井沖擊動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理研究及實(shí)驗(yàn)室模擬再現(xiàn)。

背景技術(shù)：

隨著煤炭資源的不斷開(kāi)采，開(kāi)采深度不斷加大，保證高深度下的礦井安全開(kāi)采是為我國(guó)能源安全供給，社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的必要條件。然而，進(jìn)入深部開(kāi)采，礦山壓力規(guī)律與淺部明顯不同，其中以沖擊礦壓為代表的煤巖動(dòng)力災(zāi)害給礦井安全開(kāi)采帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。深部開(kāi)采條件下沖擊礦壓發(fā)生的頻率與強(qiáng)度遠(yuǎn)高于淺部開(kāi)采，所造成的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失也呈現(xiàn)重大惡性事故特點(diǎn)，因此必須引起科學(xué)界的關(guān)注。目前與沖擊礦壓實(shí)驗(yàn)研究相關(guān)的大部分研究?jī)?nèi)容都是在靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成的，在靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中有MTS材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)可完成靜力學(xué)試驗(yàn)、常溫常壓試驗(yàn)、高溫高壓試驗(yàn)、破壞力學(xué)試驗(yàn)、全過(guò)程試驗(yàn)，但振動(dòng)頻率最大只能到5Hz左右，這與煤礦礦震發(fā)生的高頻率震動(dòng)相差較遠(yuǎn)，不能夠滿足沖擊礦壓機(jī)理研究水平的要求。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面先后發(fā)展了落錘、輕氣炮和霍普金森壓桿。但無(wú)論那種設(shè)備，都只能單純完成靜載和動(dòng)載載實(shí)驗(yàn)，而事實(shí)上驅(qū)動(dòng)煤巖體發(fā)生沖擊礦壓的載荷為動(dòng)靜組合載荷。為此，研究發(fā)明煤巖樣真三軸豎向動(dòng)靜加卸載試驗(yàn)機(jī)，以重現(xiàn)煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生時(shí)應(yīng)力環(huán)境特征與演化過(guò)程，為沖擊礦壓機(jī)理研究提供依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

目前存在的單獨(dú)的動(dòng)載（疲勞試驗(yàn)機(jī)或霍普金森壓桿）、靜載（伺服剛性壓力機(jī)）和假三軸動(dòng)靜組合試驗(yàn)系統(tǒng)限制了對(duì)沖擊礦壓現(xiàn)象、機(jī)理及參數(shù)的研究，因此本發(fā)明就是針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可進(jìn)行靜態(tài)三軸試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)和快速卸載試驗(yàn)的真三軸動(dòng)靜組合加卸載沖擊顯現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括：三軸加載系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)、動(dòng)力加載源系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)。其中，三軸加載系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)和動(dòng)力加載源系統(tǒng)固定在底座上。三軸加載系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)靜態(tài)三軸試驗(yàn)和快速卸載試驗(yàn)，靜態(tài)三軸試驗(yàn)可完成單軸、雙軸、三軸分別或同時(shí)加卸載，不等應(yīng)力加載、卸載?？焖傩遁d試驗(yàn)完成對(duì)試樣實(shí)施雙軸、三軸不等應(yīng)力作用下的Y軸單方向突然卸載試驗(yàn)。動(dòng)力加載源系統(tǒng)在試樣處于穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)下，在Z軸方向上施加一沖擊動(dòng)載荷。測(cè)量控制系統(tǒng)用于測(cè)量力和位移大小，從而用于控制整個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。保護(hù)系統(tǒng)用于保護(hù)人員及設(shè)備安全。

所述三軸加載系統(tǒng)包括：剛性框架、水平平臺(tái)、卸載缸、單活塞高頻響伺服缸、中空式雙活塞桿伺服缸、升降伺服機(jī)構(gòu)、立柱、跌落桿、氣動(dòng)催力裝置、底座，連接關(guān)系為：X軸采用從兩個(gè)剛性框架中分別穿過(guò)的兩個(gè)單活塞高頻響伺服缸和與剛性框架相連的四個(gè)立柱的結(jié)構(gòu)形式。Y軸采用從兩個(gè)剛性框架中分別穿過(guò)的一個(gè)單活塞高頻響伺服缸和一個(gè)卸載缸，及與剛性框架相連的2個(gè)立柱的結(jié)構(gòu)形式。X、Y軸安裝在水平平臺(tái)上，并與升降伺服機(jī)構(gòu)相連。Y軸卸載缸突然卸載后，跌落桿在氣動(dòng)催力裝置作用下快速跌落，讓出高速攝像所需的空間和時(shí)間；所述氣動(dòng)催力裝置包括卸載缸、杠桿裝置；跌落桿與杠桿裝置一端連接，卸載缸與杠桿裝置的另一端聯(lián)動(dòng)，杠桿裝置一端與杠桿裝置的另一端移動(dòng)方向相反，杠桿裝置上設(shè)有支點(diǎn)，卸載缸與杠桿裝置的另一端連接的位置為第一點(diǎn)，杠桿裝置與跌落桿連接的位置為第二點(diǎn)，支點(diǎn)與第一點(diǎn)之間的距離明顯小于支點(diǎn)與第二點(diǎn)之間的距離，故卸載缸的卸載帶動(dòng)跌落桿快速移動(dòng)；當(dāng)需要跌落桿升起時(shí)，卸載缸通過(guò)氣泵管道給杠桿裝置加壓，杠桿裝置的另一端下移，通過(guò)杠桿作用將跌落桿升起；Y軸加載系統(tǒng)的卸載缸突然卸載后，杠桿裝置的另一端上移，跌落桿在氣動(dòng)催力裝置作用下快速跌落，跌落桿以接近自由落體方式下降，讓出高速攝像所需的空間和時(shí)間。

Z軸采用從上剛性框架中穿過(guò)的一個(gè)中空式雙活塞桿伺服缸和與底座相連的4個(gè)立柱的結(jié)構(gòu)形式。

所述測(cè)量系統(tǒng)包括：負(fù)荷傳感器、回彈式位移傳感器、位移傳感器，連接關(guān)系為：回彈式位移傳感器安裝在水平平臺(tái)上，測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給升降伺服機(jī)構(gòu)控制水平平臺(tái)升降，從而隨試樣幾何中心變化而隨動(dòng)，保證加載時(shí)X、Y、Z軸中心始終交于一點(diǎn)，保證水平X、Y軸加載中心始終交于一點(diǎn)且中心點(diǎn)不變（對(duì)中過(guò)程，首先通過(guò)加載力的作用使試樣在Y軸方向位于中心位置，然后通過(guò)X方向力的作用使其位于X方向中心位置，水平平臺(tái)隨試樣幾何中心變化而升降，從而保證X,Y,Z軸始終交予一點(diǎn)且中心點(diǎn)不變）。位移傳感器安裝在Z軸框架上反饋控制升降伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)水平平臺(tái)上下移動(dòng)，使加載中心適應(yīng)不同試樣尺寸。高速伺服缸上安裝有負(fù)荷傳感器，用于控制動(dòng)載作用時(shí)間和沖擊載荷大小。升降伺服機(jī)構(gòu)位于水平平臺(tái)下表面，內(nèi)置液壓驅(qū)動(dòng)裝置。

所述動(dòng)力加載系統(tǒng)包括：高速伺服缸、活塞桿、沖擊桿、直線軸承，連接關(guān)系為：中空式雙活塞桿伺服缸上連接有高速伺服缸。高速伺服缸中的活塞桿沖擊一個(gè)安裝在中空式雙活塞伺服缸中的沖擊桿，直線軸承對(duì)沖擊桿起支撐導(dǎo)向作用。

所述保護(hù)系統(tǒng)包括：擋板、減振阻尼器，連接關(guān)系為：底座下方安裝有減振阻尼器，瞬間吸收沖擊帶來(lái)的振動(dòng)，X、Y軸共四個(gè)剛性框架周?chē)惭b有擋板，保護(hù)外圍安全。

本發(fā)明工作原理：利用X軸、Y軸和Z軸加載系統(tǒng)共5個(gè)液壓缸模擬井下不同開(kāi)采條件下煤巖體的靜態(tài)受力條件，其特點(diǎn)是Y軸一個(gè)方向安裝有卸載缸，通過(guò)氣動(dòng)催力裝置實(shí)現(xiàn)跌落桿的快速跌落，從而完成一面臨空的卸荷試驗(yàn)。為保證中心點(diǎn)不偏移，安裝位移傳感器和回彈式位移傳感器，測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給升降伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)水平平臺(tái)升降，利用Z軸的高速伺服缸沖擊在真三軸靜載作用下達(dá)到力學(xué)平衡條件的煤巖體，完成動(dòng)靜組合試驗(yàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦動(dòng)力災(zāi)害的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，已成為制約學(xué)科發(fā)展的主要因素?，F(xiàn)有理論、模型與現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)，不能有效指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)。本發(fā)明煤巖樣真三軸豎向動(dòng)靜加卸載試驗(yàn)機(jī)可研究煤巖體在真三軸動(dòng)靜組合加卸載試驗(yàn)條件下，應(yīng)力分布、聲電參數(shù)和應(yīng)力波傳播的演化規(guī)律，揭示動(dòng)靜合力誘災(zāi)機(jī)理和建立沖擊破壞的多參量模型，進(jìn)而提高沖擊礦壓災(zāi)害理論研究的有效性和針對(duì)性，提升學(xué)科的理論研究水平和裝備水平。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的測(cè)控系統(tǒng)局部示意圖；

圖3是本發(fā)明的三軸加載系統(tǒng)的X軸立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的三軸加載系統(tǒng)的Y軸立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的三軸加載系統(tǒng)的Z軸立體結(jié)構(gòu)示意圖。

在上述附圖中：1-負(fù)荷傳感器、2-回彈式位移傳感器、3-高速伺服缸、4-擋板、5-剛性框架、6-水平平臺(tái)、7-卸載缸、8-單活塞高頻響伺服缸、9-中空式雙活塞桿伺服缸、10-升降伺服機(jī)構(gòu)、11-立柱、12-跌落桿、13-氣動(dòng)催力裝置、14-位移傳感器、15-底座、16-減振阻尼器、17-活塞桿、18-沖擊桿、19-直線軸承。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專利的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1、2、3、4、5所示：本實(shí)例包括負(fù)荷傳感器1、回彈式位移傳感器2、高速伺服缸3、擋板4、剛性框架5、水平平臺(tái)6、卸載缸7、單活塞高頻響伺服缸8、中空式雙活塞桿伺服缸9、升降伺服機(jī)構(gòu)10、立柱11、跌落桿12、氣動(dòng)催力裝置13、位移傳感器14、底座15、減振阻尼器16、活塞桿17、沖擊桿18、直線軸承19。

一種煤巖樣真三軸豎向動(dòng)靜加卸載試驗(yàn)機(jī)，包括三軸加載系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)、動(dòng)力加載源系統(tǒng)，三軸加載系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)和動(dòng)力加載源系統(tǒng)固定在底座上，其特征在于：所述三軸加載系統(tǒng)包括剛性框架5、水平平臺(tái)6、卸載缸7、單活塞高頻響伺服缸8、中空式雙活塞桿伺服缸9、升降伺服機(jī)構(gòu)10、立柱11、跌落桿12、氣動(dòng)催力裝置13、底座15，三軸加載系統(tǒng)分為X軸加載系統(tǒng)、Y軸加載系統(tǒng)、Z軸加載系統(tǒng)；剛性框架5包括X軸剛性框架、Y軸剛性框架、Z軸剛性框架；X軸加載系統(tǒng)采用從兩個(gè)X軸剛性框架中分別穿過(guò)的兩個(gè)單活塞高頻響伺服缸8和與X軸剛性框架相連的立柱11的結(jié)構(gòu)；Y軸加載系統(tǒng)采用從兩個(gè)Y軸剛性框架中分別穿過(guò)的一個(gè)單活塞高頻響伺服缸8和一個(gè)卸載缸7，及與Y軸剛性框架相連的立柱11的結(jié)構(gòu)；X、Y軸加載系統(tǒng)安裝在水平平臺(tái)6上，并與升降伺服機(jī)構(gòu)10相連；Y軸加載系統(tǒng)的卸載缸7突然卸載后，跌落桿12在氣動(dòng)催力裝置13作用下快速跌落；Z軸加載系統(tǒng)采用從Z軸剛性框架5中穿過(guò)的一個(gè)中空式雙活塞桿伺服缸9和與底座15相連的立柱11的結(jié)構(gòu)。

所述測(cè)量系統(tǒng)包括負(fù)荷傳感器1、回彈式位移傳感器2、位移傳感器14，回彈式位移傳感器2安裝在水平平臺(tái)6上，回彈式位移傳感器2的測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給升降伺服機(jī)構(gòu)10并由升降伺服機(jī)構(gòu)控制水平平臺(tái)6升降，從而水平平臺(tái)隨試樣幾何中心變化而升降，保證加載時(shí)X、Y、Z軸加載系統(tǒng)中心始終交于一點(diǎn)。所述的位移傳感器14安裝在Z軸剛性框架上，用于反饋控制升降伺服機(jī)構(gòu)10并驅(qū)動(dòng)水平平臺(tái)6上下移動(dòng)，使加載中心適應(yīng)不同試樣尺寸。所述的負(fù)荷傳感器1安裝于高速伺服缸3上，用于控制動(dòng)載作用時(shí)間和沖擊載荷大小。Y軸加載系統(tǒng)的卸載缸7突然卸載后，跌落桿12在氣動(dòng)催力裝置13作用下快速跌落，讓出高速攝像所需的空間和時(shí)間；所述的卸載缸與跌落桿連接，所述的氣動(dòng)催力裝置連接跌落桿。試樣位于加載試驗(yàn)機(jī)中央，且由六面夾具完全包圍，六面夾具的六個(gè)面對(duì)應(yīng)X、Y、Z軸形成的立體結(jié)構(gòu)的六個(gè)面。

所述的動(dòng)力加載系統(tǒng)包括高速伺服缸3、活塞桿17、沖擊桿18，中空式雙活塞桿伺服缸9上連接有高速伺服缸3；高速伺服缸3中的活塞桿17沖擊安裝在中空式雙活塞伺服缸9中的沖擊桿18。所述的動(dòng)力加載系統(tǒng)還包括直線軸承19，沖擊桿18被直線軸承19支撐導(dǎo)向。

還包括保護(hù)系統(tǒng)，所述的保護(hù)系統(tǒng)包括安裝于所述底座15下方的減振阻尼器16。所述的保護(hù)系統(tǒng)還包括安裝于X、Y軸剛性框架周?chē)膿醢?。

上述結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)機(jī)使用時(shí)，首先打開(kāi)擋板4，放置煤巖體試樣，使試樣中心與加載中心重合，然后啟動(dòng)三軸加載系統(tǒng)加載到設(shè)計(jì)的三向應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)回彈式位移傳感器2和位移傳感器14分別測(cè)量水平平臺(tái)6和Z軸剛性框架5位移，并將數(shù)據(jù)反饋給升降伺服機(jī)構(gòu)10，從而驅(qū)動(dòng)水平平臺(tái)6升降保證在加載過(guò)程中中心點(diǎn)不偏離，接著啟動(dòng)動(dòng)力加載源系統(tǒng)使高速伺服缸3中的活塞桿17對(duì)安裝在Z軸中空式雙活塞伺服缸9中的沖擊桿18進(jìn)行動(dòng)力沖擊，沖擊桿18在直線軸承19的支撐導(dǎo)向作用下，施加動(dòng)載荷至煤巖體，使其在動(dòng)靜組合載荷下發(fā)生破壞，測(cè)量控制系統(tǒng)連續(xù)采集試驗(yàn)過(guò)程中的力、位移數(shù)據(jù)，出具X、Y、Z軸應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)力-時(shí)間、位移-時(shí)間曲線。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同形式的替換，這些改進(jìn)和等同替換得到的技術(shù)方案也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。